Техническая термодинамика

Северного Зауралья»

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра «Энергообеспечения сельского хозяйства»

 

Теплотехника

учебно-методическое пособие к контрольным работам студентов заочной формы обучения

 

направления подготовки - 35.03.06 «АГРОИНЖЕНЕРИЯ»

профиль 01. Технические системы в агробизнесе;

профиль 04. Технический сервис в агропромышленном комплексе

.

 

 

Тюмень, 2018

 

УДК 621.1

ББК 31.3

Р 24

Рекомендовано учебно-методической комиссией МТИ

протокол № от «» 2018 г.

Рецензенты:

Составители: Ставицкий А.В., старший преподаватель кафедры «Энергообеспечения сельского хозяйства»

Р 24

Ставицкий А.В. Теплотехника: учебно-методическое пособие. [Электронный вариант] / Сост. А.В. Ставицкий. –ГАУ Северного Зауралья - Тюмень, 2018. - с.

 

Учебно-методическое пособие подготовлен в соответствии с требованиями ГОС ВО для направления подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» и является основным руководством для выполнения контрольной работы по теплотехнике.

Теплотехника: учебно-методическое пособие к контрольным работам предназначено для студентов заочной формы обучения для направления подготовки 35.0306. "Агроинженерия"

профиль 01 «Технические системы в агробизнесе»;

профиль 04 «Технический сервис в агропромышленном комплексе».

 

УДК 621.1

ББК 31.3

 

©ФГБОУ ВО Государственный аграрный

университет Северного Зауралья, 2018.

©Ставицкий А.В., 2018

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие предназначено для организации студентов заочной формы обучения направления подготовки 35.03.06. «Агроинженерия», профиль 01. Технические системы в агробизнесе, профиль 04. Технический сервис в агропромышленном комплексе. В пособие включены пять индивидуальных заданий, выполняемые в 6 семестре изучения дисциплины «Теплотехника», что соответствует требованиям ГОС ВО и рабочим программам для данного направления подготовки.

В начале пособия изложена программа дисциплины и основные вопросы, рассматриваемые в каждом разделе, а также требования, предъявляемые к оформлению контрольной работы.

 

 

Правила выполнения и оформления контрольных работ

1. Каждая работа, должна быть выполнена в отдельной ученической тетради, на обложке которой нужно указать фамилию, инициалы, полный шифр зачетной книжки, номер контрольной работы, вариант, институт, ФИО преподавателя и студента.

2. Условия задач необходимо переписывать полностью. Каждую задачу начинать с новой страницы. Для замечаний преподавателя следует оставлять поля шири­ной 4-5 см. Контрольные работы выполняются чернилами синего цвета.

3. Необходимо отчётливо представлять себе главное содержание изучаемых явлений и процессов, при этом математическое описание явлений не должно заслонять их физической сущности. Большое внимание надо уделять разбору теоретических основ теплотехники (теоретической термодинамики, теории теплопередачи, теории горения топлива).

4. Контрольное задание должно выполняться студентом после изуче­ния всего курса дисциплины "Теплотехника». Студенту выдаётся индивидуальное задание, согласно которому он должен решить пять задач.

5. При выполнении контрольного задания необходимо соблюдать следующие требования:

а) обязательно записать условие задачи;

б) решение сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором должно быть указано, какая величина определяется и по какой формуле, какие величины подставляются в формулу (из условия задачи, из справочника и т.д.);

в) вычисления давать в развёрнутом виде;

г) обязательно проставлять размерности всех заданных и расчётных величин в международной системе СИ;

д) графический материал должен быть выполнен чётко в масштабе на миллиметровой бумаге.

6. После решения должен быть произведён краткий анализ полученных результатов и сделаны соответствующие выводы.

7. Если при изучении разделов дисциплины у студентов возникают какие-либо вопросы, то они могут получить консультацию в письменной или устной форме. В конце работы дать перечень использованной литературы, указать дату окончания работы и подписать её.

 

 

СОДЕРЖАНИЯ РАЗДЕЛОВ И ТЕМ КУРСА ДИСЦИПЛИНЫ

Техническая термодинамика

 

Предмет технической термодинамики и ее методы. Связь термодинамики с другими отраслями знаний. Основные задачи курса. Рабочее тело. Основные параметры состояния. Термодинамическая система. Равновесное и неравновесное состояния. Уравнение состояния. Теплота и работа как формы передачи энергии. Термодинамический процесс. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы).

Смеси идеальных газов. Способы задания состава смеси. Соотноше­ние между массовыми и объемными долями. Вычисления массовых и объемных долей. Вычисление параметров состояния смеси. Определе­ние кажущейся молекулярной массы и газовой постоянной смеси.

Теплоемкость. Массовая, объемная и молярная теплоемкости. Тепло­емкости при постоянных объёмах и давлениях. Зависимость теплоемкости от температуры и давления. Средняя и истинная теплоемкости. Формулы и таблицы для определения теплоемкостей. Теплоемкость смеси идеальных газов.

Первый закон термодинамики. Сущность закона. Формулировки закона. Аналитическое выражение закона для открытых и закрытых систем. Опре­деление работы и теплоты через термодинамические параметры состояния Р - V- диаграмма. Энтальпия.

Второй закон термодинамики. Основные формулировки закона. Анали­тическое выражение закона. Энтропия. ТS - диаграмма.

Общие понятия о термодинамическом процессе. Общие методы исследования процессов изменения состояния рабочих тел. Изображение процессов в координатах рv и Тs. Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный, как частные случаи политропного процесса.

Общее понятие о круговом процессе. Прямой и обратный циклы Карно, их анализ. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент.

Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Циклы с изохорным и изобарным подводами теплоты. Изображение циклов в р-v и Т-s диаграммах

Термодинамические и эксергетические КПД циклов. Сравнительный анализ циклов ДВС.

Циклы газотурбинных установок (ГТУ). Циклы с изохорным и изобар­ным подводами теплоты. Регенеративные циклы ГТУ. Изображение циклов в р-v и Т-s диаграммах. Термодинамические и эксергетические КПД циклов. Сравнительный анализ циклов ГТУ.

Цикл идеального компрессора. Классификация компрессоров и прин­цип их действия. Индикаторная диаграмма. Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие. Полная работа и мощность на привод компрессора. Многоступенчатое сжатие. Изображение термодинамических циклов в р-v и Т-s диаграммах.

Циклы холодильных установок. Классификация холодильных установок. Рабочие тела. Холодильный коэффициент и холодопроизводительность. Цикл воздушной холодильной установки. Циклы паровой и компрессионной установок. Понятие об абсорбционных и пароэжекторных холодильных ус­тановках.

Тепловой насос. Принцип работы теплового насоса. Кондиционер.

Физическое состояние вещества. Процесс парообразования в р-v и Т-s координатах. Термодинамические таблицы воды и водяного пара. Расчет термодинамических процессов водяного пара с по­мощью таблиц и h-s диаграммы. Принципиальная схема паросиловой уста­новки. Цикл Ренкина. Влияние начальных и конечных параметров на терми­ческий КПД цикла Ренкина. Изображение цикла в Т-s и h-s диаграммах. Пути повышения экономичности паросиловых установок. Теплофикационный цикл.

Определение понятия «Влажный воздух». Основные величины, характеризующие состояния влажного воздуха. H-d диаграмма влажного воздуха. Расчет основных процессов (подогрев, сушка, смеси воздуха и различных паров).

 

Теория теплообмена

Предмет и задачи теории. Значение теплообмена в сельскохозяйственных и промышленных процессах. Основные понятия и определения. Способы переноса теплоты: те­плопроводность, конвекция и излучение. Основные понятия и определения. Закон Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффи­циент теплопроводности. Теплопроводность однослойной и многослойной плоских стенок, цилиндрической и сферической стенок.

Конвективный теплообмен. Основные понятия и определения. Уравне­ние Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи.

Теплообмен излучением. Основные понятия и определения. Тепловой баланс лучистого теплообмена. Закон теплового излучения. Теплообмен излучением между телами.

Сложный теплообмен. Теплопередача через однослойную и много­слойную плоскую, цилиндрическую, сферическую стенки. Коэффициент те­плопередачи. Тепловая изоляция.

Назначение, классификация и схемы теплообменных аппаратов. Принцип расчета теплообменных аппаратов. Средний температурный напор. Совре­менные конструкции трубчатых и пластинчатых теплообменных аппаратов.

 

ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

 

Задача 1.

Дано: Цикл, отнесённый к 1 кг воздуха. Параметры начального состояния р₁ =0,7 кг/см², t₁ =27 ° конечного состояния V ₂ =0,04 м³/кг, р ₂ =35кг/см², газовая постоянная воздуха R=286,55 Дж/ (кг К)

теплоемкости процессов С_V=712.3 Дж/кг ⸱К

С_Р=1005,6 Дж/кг ⸱К

Решение:

1. Определение параметров Т₂, n, С, ℓ,ΔU, ΔS для политропного процесса

1). Для состояния 1 дано: Р₁ =0,7 кг/см ² ⸱9,8 10⁴ ПА = 6,86 *10 ⁴ Па

в системе СИ, t₁ =27°С + 273К= 300К.

Т₁ =300К, R=286,55 Дж/ (кг К)

Определим V₁ из уравнения состояния идеального газа

2). Для состояния 2 дано: р ₂ =35 кгс/см ² ⸱9,8 10⁴ ПА = Па, V ₂ =0,04 м³ /кг

Из уравнения состояния идеального газа определим

Из уравнения политропного процесса определим n

Теплоёмкость процесса ,

Где K -показатель адиабаты K=C_p/C_v; K=(1005,6/712,3) =1,41 кДж/ (кг К)

Отсюда = - 1,37кДж/ (кг К)

Определим удельную работу процесса ℓ

Изменение внутренней энергии газа ΔU = C_V (Т₂ — T₁),

ΔU = 712, 3 ⸱ (479 - 300) = 127, 5 (кДж/кг)

Изменение энтропии

2. Определение этих же параметров для изотермического процесса.

Дано: Р1 = 6,86 *10 ⁴Па, T1 =ЗООК, V1 = 1,25м3/ кг

Определим Р ₂ из уравнения изотермического процесса Р₂V₂ ⁼ Р₁V₁

V₂ = 0,04м³/ кг, T₂=T₁=300К

Построим графики процессов в p-V и T-s диаграммах

 

Р 10⁴ T, K

2

 

 

S

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 V₁ м³/кг S₂ ΔS S₁

 

 

для изотермического процесса

Задача 2.

 

 

Задача 2

Дано: Цикл ДВС с изохорно-изобарным подводом теплоты. Пара­метры рабочего тела в начале сжатия: Р₁ = 1кг/см² и t₁ =15 °, ε=10, ρ=1.2, λ=1.5. Рабочее тело - воздух, m =1кг. Определить: l, q₁, q₂, η_t, Δ S.

Решение: Изобразим смешанный цикл ДВС в p-V - диаграмме. P 2' 3

1). Определение параметров точек цикла

а). Для точки 1 даноt₁=15°, Т₁=288 К, р₁=1 кг/см²=9,8 10⁴Па.

Определим из уравнения состояния объём V_{l 2}

 

5 4

б). Для точки 2 дано V2 = V2'

Процесс сжатия 1-2 адиабатический, степень сжатия ε =10,

Определим конечный объем из уравнения степени сжатия

Из уравнения адиабатного процесса найдём Р₂

_,

Где К-показатель адиабаты К =C_p/C_v; К=(1005,6/712,3) =1,41

Из уравнения состояния рабочего тела найдем конечную температуру Т2

 

в) Для точки 2' дано Р_2' = Р₃, λ=l,5

Определим параметры точки 3

Из уравнения изохорного процесса определим температуру Т2'

г) Для точки 3 дано: Р2'=Р3 ρ=1,2

Определим остальные параметры точки

Из уравнения изобарного процесса определим температуру Т3

, определим

д) Для точки 4 дано: Р₄=Р₁, V₄= 0,84 м³/кг

Определим из уравнения адиабатного процесса 3-4 Р₄

и из уравнения изохорного процесса 4-1 найдем Т4

 

2. Для цикла определим подведённую q₁ и отведённую q ₂ удельную теплоту

q=q₁+q₂=C_V(T₃-T₂)+C_P(T₄-T₃)

q=712.3(1107-738)+1005.6(1328-1107)=485.176(кДж/кг)

q₃=C_V(T₅-T₁), q₃=712.3(560-288)=193.745(кДж/кг)

Удельную работу цикла можно найти как сумму удельных работ, совершённых в отдельных процессах цикла

= 286,487 (кДж/кг)

Термический коэффициент цикла можно найти по уравнению

В данном примере (кДж/кг)

 

Изменение энтропии цикла складывается из изменений энтропии в отдель­ных процессах цикла

 

Построим этот цикл в p-V и T-s диаграммах

 

 

Задача 3.

Дано: Цикл паросиловой установки Ренкина с параметрами пара

1 вариант: р₂ = 25 кг/см ², t₁ =400 ° С, р ₂ =0,098 кг/см ²

2 вариант: р₂ = 25 кг/см ², t₁ =500 ° С, р ₂ = 0,098 кг/см ²

Решение:

1) По диаграмме h-s (i-s) приложение 1, найдём удельную энтальпию начального состояния пара

(в пересечении линий р и t)

Р₁ =25 кг/см ² ⸱9, 8 10⁴ ПА =2, 45⸱10⁶ Па = 2, 45 МПа, t₁ =400 ° С, h₁ =3240 кДж/кг

2) Из начальной точки на диаграмме опустим вертикаль (адиабату) до Р ₂ = 0,0096 Мпа

Удельная энтальпия конечного состояния h ₂ =2220 кДж/кг

3) По таблице приложения 1 найдём удельную энтальпию воды на ли­нии насыщения по давлению Р₂ = 0,0096 МПа h^/ ₂ = 190 кДж/кг

4) Определим термический КПД цикла

%

5) Удельный расход пара

Аналогично ведутся расчёты по данным 2 варианта.

 

Задача 4.

 

Дано: Горизонтальная цилиндрическая труба, наружный диаметр её d=57 мм, t_C = 100 С. tв= 20 ºC. Определить потери тепла трубой за 1 час в 1 м длины.

 

Решение:

 

1) Определим среднюю температуру пограничного слоя

Возьмём из таблицы 2 приложения физические константы воздуха при t коэффициент теплопроводности, число λ берется по t т.е. 0-100ºС берется от 24.84⸱10 ¯³ до 31.87⸱10 ¯³ и т.д.

λ_В=29,06 ⸱10^-3 Вт/м К

коэффициент кинематической вязкости

const м/с

3) Определим критерий Грасгофа Gr

Определим коэффициент объемного рас­ши­­ре­ния

Производим расчет числа Грасгофа

4) Определим критерий Нуссельта Nu для теплоотдачи горизонтальной

трубы при свободном движении двухатомного газа

5) Определим коэффициент теплоотдачи, а

6) Определяем потерю тепла трубой по уравнению Ньютона - Рихмана

Записать ответ с выводом и расчетными данными.

Задача 5.

 

Тепло дымовых газов передаётся через стенку котла кипящей воде. Температура газов t₁ =1100°, воды t₂ =150°, толщина стенки δ_с=1мм, толщина накипи δ_H =5мм. Коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке а₁ =104,67 Вт/ (м К) и от стенки к воде а ₂ =4652 Вт/ (м К),

стенка плоская. Коэффициенты теплопроводности стали λ _с =58 Вт/(мК), накипи λ _н =1 Вт/ (м К).

Решение: 1). Определим термические сопротивления от газов к стенке R₁ =1/а₁ =0,0096 м ² К/Вт

от стенки к кипящей воде R ₂ =l/a₂ =0,00021 м ² К/Вт, стальной стенки R ₃ =δ _с / λ _с =0,001/58=0,00002 м³ К/Вт

2) Определим коэффициент теплопередачи K,

3) Удельный тепловой поток через стенку q=K(t₁-t₂),

q= 101,758 (1100-150) = 96670 (Вт/м ²) = 96, 67 кВт/м²

4) Определим температуры стенки со стороны газов и воды

При наличии накипи

1) Термическое сопротивление накипи

2) коэффициент теплоотдачи

3) Удельный тепловой поток q=К(t₁-t₂); q=63289 Вт/м²

4) Температура стенки

5) Температура накипи со стороны воды

t,⁰C t,⁰C

t₁ t₁

R₁ R₃ R₂ R₁R₃ R₄R₂ R

Эпюры температур